岩石冻融影响的研究进展

岩石冻融影响的研究进展

李中洋1

1.重庆交通大学 河海学院，重庆 400074

摘 要：岩石冻融这类工程问题是我国寒区工程经常遇到的一项难题。伴随着我国经济的飞速发展，我国的寒区工程建设越来越多，遇到的岩石冻融问题也随之增加。不难看出岩石的冻融问题是随着我国寒区工程建设逐渐增多才开始被重视起来的。因此，岩石冻融问题的研究日渐重要。本文结合国内外现有的研究成果，分别从岩石冻融损伤机理、岩石冻融力学性能影响和冻融检测手段3个方面出发，对岩石冻融破坏的研究现状进行详细综述，并通过本文提出一些岩石冻融问题需要重点关注和研究的方向，目的在于为岩石冻融问题的研究提供一些参考。

关键词：岩石冻融；力学性能；检测手段

序言

我国寒区面积占了国土面积大约百分之七十五，是寒区面积最多的国家之一[1]。在我国的东北地区，冬季的持续时间相对而言夏季来说更加的长，气温低，昼夜温差大，岩石每年都要反复经历着冻融循环作用，由冻融作用引起的岩石劣化现象越来越显著[2]。在我国青藏铁路建设中，岩石冻融问题就是一个常见的难题，困扰着青藏铁路的建设。云南玉龙雪山发生岩石崩塌，系岩石冻融引发的一系列山体地质运动。结合上述事件，岩石冻融问题的研究具有重要意义。

2  岩石冻融损伤机理

一般的研究结果显示，冻岩损伤的原因是冻岩中的水分在低温的作用下结冰产生约9%的体积膨胀，在如此大的膨胀力的作用下造成了冻岩发生膨胀。冻岩损伤的增加会进一步增加岩石的孔隙，进一步增加了岩石中水的含量，从而为冻胀力的发育提供更有利的条件，这种恶性循环会最终导致冻岩的宏观破坏。

Miller[3]提出第二冻胀理论：MiLLer经过论证形成冻胀的原因是由于边缘区土颗粒水膜不断变薄使得地下水对其一直进行补充，然后经过低温在边缘区参与冻结。在Miller的第二冻胀理论基础上，O'Neill 等[4]首先提出了刚冰模型，并分析认为孔隙水和孔隙冰之间应力分布存在一个合适的比例，当有效孔隙应力达到或超过上覆载荷时，新的冰透镜体就会形成。Ishizaki 等[5]根据刚性冰理论，经过大量实验对水分凝结成冰的现象做了进一步解释。

3  岩石冻融力学性能影响及检测手段

张慧梅[6]用冻融受荷饱水后的红砂岩和页岩进行了冻融力学试验,对于岩性和冻融循环对岩石的破坏力学性质进行了深入而有效的研究,得出了冻融受荷岩石的破坏损害演化方程。结果显示岩石冻融损伤模型主要分为3种模式:剥落模式、断裂模式和破碎模式。李新平[7]对岩样进行预置裂隙以达到模拟节理岩体作用，并对岩样进行了冻融循环和单轴压缩实验，得到了岩石的冻融破坏是疲劳破坏的结果。同时，根据试验结果得出岩样预置裂隙的长度对岩样的损伤有较大影响。岩样的冻融循环次数不变的情况下，裂隙较长的岩样受到的损伤更加严重。徐光苗[8]进行了岩石冻融试验得出了岩石的冻融损伤主要受到岩性、岩石的孔隙率、含水量和饱和度，冻融循环次数、冻融周期(或冻融频率)，未冻水、盐溶液，冻融温度范围，应力状态的影响。岩石的岩性，岩石的孔隙率、含水量和饱和度对岩石的冻融损伤模式和劣化程度起着决定性作用。蒋立浩等[9]进行了高低温冻融循环力学试验，根据试验结果得出了随着冻融循环次数的增加岩样的力学性能也随之改变，其主要表现为峰值应力和弹性模量降低，峰值应变增大。刘成禹[10]等通过花岗岩低温冻融损伤特性的试验研究得出泊松比明显增大.冻融样与未冻样相比,泊松比增加0.026～0.040,相对增加10.44%～18.56%。岩石的物理力学性质在冻融循环下受到很多的因素影响，有相当大的复杂性。目前的研究大多只考虑了单一作用的影响，有待于今后进行进一步研究。

对于损伤岩石的检查手段目前我们可以将其划分为两种:直接式的检查方法与间接式的检查方法。在直接式检查方法中最为直接的检查手段之一是利用金相学来检查岩石中破坏性缺陷个体的数量、形貌尺寸、分布格局、方位取向、裂纹特点等所占比重。这一类的检测方法扫描电镜观察、CT技术、X光观测等。间接检测法就是通过一定的物理假设去建立岩石的宏观物理量与损伤变量之间的关系。此类检测方法有声发射、散射、X 射线、超声波、声振、核磁共振等[11]。核磁共振技术发展时间短但优点多。目前利用核磁共振检测岩石冻融损伤和岩石冻融损伤检测技术的发展都有一定的价值。国内外学者根据这些技术对不同的岩石冻融循环作用下岩石的冻融破坏现象展开了大量研究，得出了很多结论。但是对岩石冻融破坏的机制方面的研究还有所欠缺。只是在特定的条件下对单一的某种岩石进行了试验研究，对岩石的冻融损伤方面的研究有待加强。

4  结论

岩石冻融目前的理论研究尚且停留在一些理想条件下，给定了一些假设条件。往往岩石冻融损伤过程是十分复杂的，受到一系列的因素影响。例如试验条件，方法，循环周期和温度等都对结果有一定的影响；岩石冻融损伤研究数值模拟的发展相对来说还在发展中，结合所查找文献。关于岩石冻融损伤方面数值模拟的研究相对较少。数值模拟的方法可以更大程度的模拟岩石冻融的复杂过程，直观的得到试验结果。同时可以大大减少成本，数据处理也更加简便；岩石冻融问题如今仍然停留在一些大型工程上，对一些小型民用工程的研究还不是很多。

参考文献：

[1]徐斅祖.中国冻胀研究进展[J].地球科学进展，1994，9(5)：13–19.

[2]曹大富，周敏，葛文杰，等.冻融循环作用后钢筋混凝土梁受剪性能研究[J].工业建筑，2015，45（2）：32-37.

[3]Miller R D. Freezing and heaving of saturated and unsaturated soils[J].Highway Research Record, 1972, 393 (1): 1-11.

[4]O'Neill K, Miller R D. Exploration of a rigid ice model of frost heave[J].Water Resources Research, 1985, 21(3): 281-296.

[5]Ishizaki T, Nishio N. Experimental study of frost heaving of saturated soils [C]The 5th International Symposium on Ground Freezing. UK: Balkema, Rotterdam, 1988.

[6]张慧梅，杨更社.岩石冻融力学实验及损伤扩展特性[J].中国矿业大学报，2011，40(01):140-145+151.

[7]李新平，路亚妮，王仰君.冻融荷载耦合作用下单裂隙岩体损伤模型研究[J].岩石力学与工程学报，2013，32(11):2307-2315.

[8]徐光苗，刘泉声.岩石冻融破坏机制分析及冻融力学试验研究[J].岩石力学与工程学报，2005,24(17):3076-3082

[9]蒋立浩,陈有亮,刘明亮.高低温冻融循环条件下花岗岩力学性能试验研究[J].岩土力学,2011,32(S2):319-323.

[10]刘成禹,何满潮,王树仁,等.花岗岩低温冻融损伤特性的实验研究[J].湖南科技大学学报:自然科学版,2005,20(1):37-40.

[11]杨更社,孙钧,谢定义.岩石损伤检测技术及进展[J].煤炭学报,1998(04):67-71.